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1、第1章 绪论第2章 GIS的研究概述2.1GIS基本概念2.1.1GIS定义20世纪60年代初，加拿大联邦政府和个省级政府为确定国土资源的数量和存在形势，对土地潜力进行评价，进行了全国的土地普查，于是便出现了最早的地理信息系统。地理信息系统(geographic information systems，简称GIS)，是信息系统的一种，它以表征地球表层空间地理现象和事物的地理空间数据和信息为特定的运作对象。换言之，地理信息系统是对地理空间数据进行处理加工，提取有用的地理空间信息乃至知识的系统。在GIS领域，有些学者偏向于在地理信息系统定义中指明地理空间数据处理的若干主要功能，如地理空间数据的采集
2、、存储、显示、操作、管理、分析和建模等。实际的GIS定义中通常列出其中几种功能，一种常见的简明定义是：地理信息系统是在计算机软硬件支持下，对地理空间数据进行采集、存储、显示、管理和分析的技术系统。也有些GIS定义不仅指明地理空间数据处理酌若干主要功能，而且给出其应用目的等内容。本文更倾向于如下定义：地理信息系统是在计算机软硬件支持下，对地理空间数据进行采集、输入、存储、操作、分析和建模，以提供对资源、环境及各种区域性研究、规划、管理及决策所需信息的人机系统14。 地理信息系统是由计算机硬件、软件和不同方法组成的，具有支持空间数据的获取、管理、分析、建模和显示功能；并可解决复杂的规划和管理问题的
3、信息系统。它也是一种特定的、十分重要的空间倍息系统，从不同的角度看有不同的强调点15： 从技术角度看，GIS是在计算机软件和硬件的支持下，管理、分析和显示空间数据的技术系统。这里的空间数据是指与地理空间位置相关的数据；管理是指获取、存储、查询、处理空间数据；分析是指为用户提供分析空间数据的方法；显示是指用图文等方式为用户显示多维数据的处理过程和结果。 从学科角度看，GIS是一门新兴的交叉学科，属于空间信息科学；它依赖于地理学、测绘学、统计学等基础性学科，又取决引于算机硬件和软件技术、航天技术、遥感技术和人工智能与专家系统技术的进步与成就，其核心是计算机科学，基本技术是数据库、地图可视化及空间分
4、析。GIS不止是新兴的交叉学科，又是一个技术系统，它以空间数据库为基础通过各种时空分析模型完成其功能。 从应用角度看，GIS是一门以应用为目的的信息产业，它的应用可深入到各行各业。随着GIS的应用，产生了许多行业地理信息系统，如城市地理信息系统、政府地理信息系统、土地资源信息系统等。这些系统研究的对象不向，但研究方法基本相似。随着网络时代的到来，又出现了一批使用网络空间数据的用户群。从发展角度看，GIS起源于实际应用，开始是一门技术，之后进一步发展成一门交叉性边缘科学。由于GIS的理论、技术和应用一直在不断发展，GIS的含义也在不断变化和发展。起初，注重GIS提供空间数据的管理、查询和分析功能
5、，之后，又开始注重通过共享的地理信息数据库提供协动工作的平台。目前更注重 GIS在互联网和分布式网络环境下，整个社会共享数据、相互合作和协动工作。GIS研究的对象是地理空间数据；研究内容包括基础理论、技术系统及应用方法，三方面互相联系，相互促进。 2.1.2 GIS发展阶段 计算机科学的兴起和它在航空摄影测量与地图制图学中的应用，使人们开始有可能用计算机来收集、储存和处理各种与空间和地理分布有关的图形和属性数据，并希望通过计算机对数据的分析来直接为管理和决策服务。在这样的情况下，地理信息系统应运而生。纵观国际上地理信息系统的发展，其大致分为以下几个发展阶段16： （1）20世纪50年代为萌芽阶
6、段。这一时期由于计算机技术的发展，地理工作者和测绘工作者逐渐利用计算机汇总各种来源的数据，借助计算机处理和分析这些数据，最后通过计算机输出的一系列结果作为决策过程的有用信息。50年代中期，奥地利首先利用计算机建立了地籍数据库，之后的许多国家的土地管理与测绘部门也相继发展了土地信息系统。 （2）20世纪60年代为发展阶段。1963年，加拿大测量学家R.F.Tomlinson首先提出了“地理信息系统”这一概念，并建立了世界上第一个较为完善的大型实用的地理信息系统。这一时期的地理信息系统表现为：机助制图能力较强，地学分析功能较为简单；实现了手扶跟踪的数字化方法，可以实现地图数据的拓扑编辑；开创了格网
7、单元的操作方法，发展了许多面向格网的系统。在60年代的中后期，国际上一些机构和组织的相继建立对地理信息系统技术的传播和发展起到了重要的指导作用。 （3）20世纪70年代为巩固阶段。计算机硬件和软件技术的飞速发展，大容量存取设备的使用，为空间数据的录入、存取、检索和输出等提供了强有力的手段，一些发达国家先后建立了许多不同专题、不同规模和不同类型的地理信息系统。如美国地质调查局发展的GIRAS，用于获取和处理地质、地理、地形和水资源信息等；日本国土地理院建立的数字国土信息系统，存储、处理和检索测量数据、航空信息、行政区划、土地信息、地形地质等信息，为国家和地区的土地规划服务；瑞典则在中央和区域建立
8、多个地理信息系统，如区域统计数据库、道路数据库、土地测量信息系统、城市规划信息系统等。这一时期的地图数字化输入技术也有了一定的发展，采用人机交互方式，易于编辑修改，提高了工作效率，扫描输入技术系统出现。 （4）20世纪80年代为推广应用阶段。随着计算机硬、软件技术的发展和普及，地理信息系统逐渐走向成熟，这也是地理信息系统发展的重要时期。GIS基础软件和应用软件的发展，使得地理信息系统的应用领域迅速扩大，从资源管理、环境规划到应急反应，从商业服务、区域划分到政治选举分区等，设计了许多学科和领域，如古人类学、景观生态规划、森林管理、土木工程以及计算机科学等。许多国家把土地信息系统作为有关部门的必备
9、工具，投入了日常的运转；同时制定了本国的地理信息系统发展规划，启动若干科研项目，建立了一些相关的政府性、学术性的机构。如美国的国家地理信息与分析中心（NCGIA）；英国的地理信息协会。此外，80年代的中后期，GIS软件的开发和研制也取得了很大的成就，国际市场上出现了一批有代表性的GIS软件，如ARC/INFO,MGE,GENAMP,SYSTEM等。 （5）20世纪90年代为普及和用户时代。计算机在全世界范围的迅速普及，使得一些基于WINDOWS和WINDOWS NT的桌面GIS，如MAPINFO、ARCVIEW、GEOMEDIA等软件以其界面友好、易学好用的独特风格得到了很好的应用。同时，互联
10、网的发展，为地理信息系统在互联网上运行提供了必要的技术条件，一批基于万维网的典型GIS软件，将GIS带入了用户时代。 尽管地理信息系统有着广泛的应用潜力，但是它仅仅在地图制图、数据发行、自然资源管理评价、地籍管理、城市区域规划等少数领域应用的比较成熟，而在诸如电子商务、市政公用设施管理、尤其与矿场资源勘测、交通管理等其它领域才刚刚起步。国家级乃至全球性的地理信息系统正成为人们关注的焦点，地理信息系统将发展为现代社会最基本的服务系统。 2.1.3 GIS未来的发展趋势 90年代以来，计算机技术的迅速发展、微处理技术的突破以及存储设备不断更新，GIS技术得到更深入、广泛的应用。目前市场上较为主流的
11、几种GIS软件主要有17：ESRI公司的Arc/Info for NT、Arc GIS、MapObjects等，ESRI公司从20世纪70年代末开始开发商业软件，ArcGIS是其核心集中的软件产品，其提供了一种Avenue的脚本语言作为开发语言和开发环境；Intergraph公司的GeoMedia、GeoMedia Web Server等，GeoMedia是其主要的GIS产品，提供了OCX控件，可用VB, VC, PB, Delphi开发，可用控件实现系统的所有功能，该产品为桌面和网络服务器市场服务；AutoDesk公司的AutoCAD Map、AutoDesk MapGuider等，其中Au
12、toCAD Map的开发接口有：AutoLisp、VB、C+、ADS和ActiveX等，AutoDesk被认为是成功的计算机辅助设计公司，但目前其业务已经转向GIS领域；Maplnfo公司的MapInfo Professional、MapBasic、Mapx等，其可以通过OLE Automation的方式开发或通过MapBasic进行二次开发，MapX提供了OCX控件，也可用VB、VC、PB、Delphi开发；国内武汉中地公司的MAPGIS，其提供了二次开发的函数库，可以用VB、VC、Delphi进行二次开发，是我国开发的具有自主产权的地理信息基础软件。 目前GIS总体上呈网络化、开放性、集成
13、化和空间多维性的发展趋势。主要表现在以下几个方面15,16： （1）空间数据一体化 随着GIS理论和技术方法的推广，特别是RS、GPS和GIS的结合，使得矢量和格栅模型走向一体化，即在格栅模型的基础上加入矢量模型，实现三维地理信息系统格栅与矢量的统一。 （2）平台网络化 GIS的网络化有利于充分利用计算机资源、增强协同处理业务的能力、进行业务监控、方便查询和统计。GIS引入互联网(Internet)使GIS可实现网上发布、浏览、下载，实现基于Web的GIS查询和分析，如政府办公信息系统中实现面向公众的信息发布，有利于实现信息的共享和传输。 （3）开发组件化 组件化GIS是基于标准的组件式GIS
14、平台，各组件之间不仅可以灵活、自由的重组，而且具有可视化的界面和方便的标准接口。组件式软件技术已经成为当今软件技术的潮流之一，基于组件技术进行开发是软件开发的一次革命，组件式GIS代表着当今GIS发展的潮流。 （4）系统开发专业化 由于不同的专业对GIS的使用需要有大量不同的专业化命令，如果采用通用化的GIS平台，势必要进行二次开发。此外，由于通用平台数据模型和数据结构的限制，使得二次开发的软件系统可能满足不了专业化的需求，所以地理信息系统的开发将逐步走向专业化。 （5）应用社会化 GIS的设计是一个复杂的系统工程，为了设计出一个实用化的GIS，不仅需要强大的计算机硬件和软件系统的支持，而且需
15、要设计专门的数据模型、数据结构以及各种数据处理方法。应用社会化意味着GIS的应用范围将随着上述技术的发展不断拓宽，最终走入干家万户。 2.2GIS国内外研究现状 地理信息系统（GIS）在十九世纪七十年代得到了蓬勃的发展。最新成果重点电子，光学，计算机，通信和地球科学，生物学，在地球系统科学，资源与环境科学和农业，林业，地质，水文的主要领域，城市与区域发展，海洋，气象，测绘科学和国民经济中发挥着越来更大的作用，特别是地理信息系统，遥感（RS）、全球定位系统（GPS）（3S）地球科学有力的结合提供了一种新的研究方法，造成了一场现代科学技术革命的学习，通过强大的显示发布18。 GIS的发展速度代表者
16、科学技术的进步水平，当前，世界各地正在加大对于GIS技术的开发利用速度以及应用深度。从世界大多数范围内来说，美国的信息化水平最高，信息产业的发展速度最快。美国政府在城市信息资源领域投入了大量资金。其建立的地理信息系统是全球范围内最为完全的，并获得他们的空间信息系统持续改进的方法的信息，包括遥感卫星系统开发的新一代来检测飞机，地面，地球观测雷达。与美国相比，英国的地理信息系统数据的成本更加昂贵，占整个系统的60%70%的。例如，我们知道 1:62.5 百万的数字地图有着不低于 5 万英镑的售价；但由美国的地质调查局（英文简称是USGS）所制作的12百万的美国地图数据只有1000美元。一个更先进的
17、是地形数据库建设形成的英国地形测量局，向社会提供的道路网络的中心线（奥斯卡），数字高程模型，边界线，矢量地图，地名数据。地理信息系统的主要发展方向的应用是当务之急，运输，设施的规划和管理，地方政府运作服务和环境等。2.3 MAPGIS地理信息系统简介 MAPGIS 是武汉中地信息工程有限公司研制的具有自主版权的大型地理信息系统软件平台。中地公司以中国地质大学为技术依托，从 20 世纪 80 年代初期开始涉足GIS的研究，1993 年研制出中国第一套彩色地图编辑出版软件MAPCAD，实现了彩色地图的输入、编辑、出版全过程计算机化；1995 年研制国际领先的全汉字大型基础地理信息系统软件平台MAP
18、GIS，它是一个集当代最先进的图形、图像、地理、地质、测绘、遥感、人工智能和计算机科学于一体的大型智能软件系统；是集数字制图、数据库管理及空间分析为一体的空间信息管理系统；也是进行现代化管理与决策的实用工具。此外，MAPGIS 包括了MAPCAD 的全部基本制图功能，不仅可以制作具有出版精度的十分复杂的地形图和地质图，而且还能对图形数据与各种专业数据进行一体化管理和空间分析查询。 MAPGIS 地理信息系统应用十分广泛，主要适用于地质、矿产、地质勘察、测绘、电信、交通、水利、石油、煤炭、环境、土地管理、房地产、城建、城市规划等领域，在该系统的基础上目前已完成了城市综合管网系统、地籍管理系统、土地利用数据库管理系统、城市规划系统、供水管网系统、煤气管道系统、电力配网系统、通信管网及自动配线系统、环保与监测系统、警用电子地图系统、GPS 导航监控系统、作战指挥系统、旅游系统等应用系统的开发。 5